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計算機系統(tǒng)結構教程(第3版)

包郵計算機系統(tǒng)結構教程(第3版)

作者：張晨曦、王志英、沈立、李江峰、王偉

出版社：清華大學出版社出版時間：2021-08-01

開本：其他頁數(shù)： 428

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版權信息
本書特色
內容簡介
目錄
作者簡介

計算機系統(tǒng)結構教程(第3版) 版權信息

ISBN：9787302567585
條形碼：9787302567585 ; 978-7-302-56758-5
裝幀：70g膠版紙
冊數(shù)：暫無
重量：暫無
所屬分類：
計算機/網(wǎng)絡
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計算機教材

計算機系統(tǒng)結構教程(第3版) 本書特色

適讀人群：大眾本書內容豐富，實例具體，語言簡練，可讀性好，通俗易懂。可作為高等院校計算機及相關專業(yè)教材，也可作為相關科技人員的參考書。本書提供在線題庫、教學動畫課件和教學PPT課件，作者還為本書精心錄制了850分鐘的微課視頻。

計算機系統(tǒng)結構教程(第3版) 內容簡介

本書系統(tǒng)地論述了計算機系統(tǒng)結構的基本概念、基本結構、基本方法等，強調從開發(fā)并行性的角度、用量化分析（性能評價）的方法來研究和分析計算機系統(tǒng)，并且采用微課的形式，配備了教學動畫和視頻。全書共分14章。章論述計算機系統(tǒng)的基本概念、并行性的發(fā)展和定量分析基礎。第2章論述計算機指令系統(tǒng)的設計和MIPS指令系統(tǒng)。第3章論述流水線技術，包括性能分析、調度、相關與沖突以及流水線的實現(xiàn)。第4章論述向量處理機的結構、常用技術和性能評價。第5章和第6章分別論述如何用硬件和軟件的方法來開發(fā)指令級并行性，包括Tomasulo算法、基于硬件的前瞻執(zhí)行、多指令流出技術、循環(huán)展開、VLIW、EPIC等。第7章論述存儲系統(tǒng)，重點論述Cache的基本知識及提高Cache性能的各種方法。第8章論述總線、通道處理機和RAID。第9章論述互連網(wǎng)絡的特性參數(shù)、靜/動態(tài)互連網(wǎng)絡以及消息傳遞機制等。0章論述SMP、DSM、MPP等并行計算機系統(tǒng)結構，論述多Cache一致性、同步、同時多線程。1章論述多核架構以及基于多核的并行程序設計。很后3章分別論述機群系統(tǒng)、陣列處理機、數(shù)據(jù)流計算機。本書內容豐富、實例具體、語言簡練、可讀性好，既可作為高等院校計算機及相關專業(yè)教材，也可作為相關科技人員的參考書。

計算機系統(tǒng)結構教程(第3版) 目錄

第1章計算機系統(tǒng)結構的基礎知識1

1.1計算機系統(tǒng)結構的基本概念1

1.1.1計算機系統(tǒng)的層次結構2

1.1.2計算機系統(tǒng)結構的定義3

1.1.3計算機組成和計算機實現(xiàn)3

1.1.4計算機系統(tǒng)結構的分類4

1.2計算機系統(tǒng)的設計7

1.2.1計算機系統(tǒng)設計的定量原理7

1.2.2計算機系統(tǒng)設計者的主要任務10

1.2.3計算機系統(tǒng)設計的主要方法12

1.3計算機系統(tǒng)的性能評測13

1.4計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展17

1.4.1馮·諾依曼結構及其改進17

1.4.2軟件對系統(tǒng)結構的影響19

1.4.3器件發(fā)展對系統(tǒng)結構的影響21

1.4.4應用對系統(tǒng)結構的影響22

1.5計算機系統(tǒng)結構中并行性的發(fā)展23

1.5.1并行性的概念23

1.5.2提高并行性的技術途徑25

1.5.3單機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展25

1.5.4多機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展25

1.5.5并行機的發(fā)展變化26

習題128

第2章指令系統(tǒng)的設計30

2.1指令系統(tǒng)結構的分類30

2.2尋址方式32

2.3指令系統(tǒng)的設計和優(yōu)化35

2.3.1指令系統(tǒng)設計的基本原則35目錄計算機系統(tǒng)結構教程(第3版)2.3.2控制指令36

2.3.3指令操作碼的優(yōu)化37

2.3.4指令字格式的優(yōu)化40

2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進42

2.4.1沿CISC方向發(fā)展和改進指令系統(tǒng)42

2.4.2沿RISC方向發(fā)展和改進指令系統(tǒng)44

2.5操作數(shù)的類型和大小45

2.6MIPS指令系統(tǒng)結構47

2.6.1MIPS的寄存器47

2.6.2MIPS的數(shù)據(jù)表示47

2.6.3MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式47

2.6.4MIPS的指令格式48

2.6.5MIPS的操作49

2.6.6MIPS的控制指令50

2.6.7MIPS的浮點操作51

習題251

第3章流水線技術53

3.1流水線的基本概念53

3.1.1什么是流水線53

3.1.2流水線的分類55

3.2流水線的性能指標58

3.2.1流水線的吞吐率58

3.2.2流水線的加速比60

3.2.3流水線的效率61

3.2.4流水線的性能分析舉例62

3.2.5流水線設計中的若干問題64

3.3非線性流水線的調度64

3.3.1單功能非線性流水線的*優(yōu)調度65

3.3.2多功能非線性流水線的調度67

3.4流水線的相關與沖突70

3.4.1一條經(jīng)典的5段流水線70

3.4.2相關與流水線沖突72

3.5流水線的實現(xiàn)83

3.5.1MIPS的一種簡單實現(xiàn)83

3.5.2基本的MIPS流水線86

習題390

第4章向量處理機94

4.1向量的處理方式94

4.2向量處理機的結構96

4.2.1“存儲器存儲器”結構96

4.2.2“寄存器寄存器”結構96

4.3提高向量處理機性能的常用技術98

4.3.1設置多個功能部件99

4.3.2鏈接技術99

4.3.3分段開采技術102

4.3.4采用多處理機系統(tǒng)102

4.4向量處理機的性能評價103

4.4.1向量指令的處理時間Tvp103

4.4.2*大性能R∞和半性能向量長度n1/2106

4.4.3向量長度臨界值n??瘙經(jīng)106

4.5向量處理機實例107

4.5.1具有代表性的向量處理機107

4.5.2Cray YMP和C90107

4.5.3NEC SXX44109

習題4110

第5章指令級并行及其開發(fā)——硬件方法112

5.1指令級并行的概念112

5.2相關與指令級并行113

5.3指令的動態(tài)調度114

5.3.1動態(tài)調度的基本思想114

5.3.2記分牌動態(tài)調度方法116

5.3.3Tomasulo算法123

5.4動態(tài)分支預測技術133

5.4.1采用分支歷史表134

5.4.2采用分支目標緩沖器135

5.4.3基于硬件的前瞻執(zhí)行137

5.5多指令流出技術142

5.5.1基于靜態(tài)調度的多流出技術143

5.5.2基于動態(tài)調度的多流出技術144

5.5.3超長指令字技術147

5.5.4多流出處理器受到的限制148

5.5.5超流水線處理機149

習題5152

第6章指令級并行的開發(fā)——軟件方法154

6.1基本指令調度和循環(huán)展開154

6.1.1指令調度的基本方法154

6.1.2循環(huán)展開156

6.2跨越基本塊的靜態(tài)指令調度158

6.2.1全局指令調度158

6.2.2蹤跡調度161

6.2.3超塊調度163

6.3靜態(tài)多指令流出: VLIW技術165

6.4顯式并行指令計算167

6.4.1非綁定分支167

6.4.2謂詞執(zhí)行168

6.4.3前瞻執(zhí)行171

6.5開發(fā)更多的指令級并行173

6.5.1挖掘更多的循環(huán)級并行174

6.5.2軟流水179

6.6實例: IA64體系結構182

6.6.1IA64的指令格式183

6.6.2IA64的謂詞執(zhí)行機制185

6.6.3IA64的前瞻執(zhí)行機制186

習題6187

第7章存儲系統(tǒng)189

7.1存儲系統(tǒng)的層次結構189

7.1.1存儲系統(tǒng)的層次結構概述189

7.1.2存儲系統(tǒng)的性能參數(shù)190

7.1.3三級存儲系統(tǒng)191

7.1.4存儲層次的4個問題193

7.2Cache的基本知識193

7.2.1基本結構和原理193

7.2.2映像規(guī)則194

7.2.3查找方法196

7.2.4Cache的工作過程198

7.2.5替換算法200

7.2.6寫策略203

7.2.7Cache性能分析204

7.2.8改進Cache性能206

7.3降低Cache的不命中率207

7.3.1三種類型的不命中207

7.3.2增加Cache塊大小209

7.3.3增加Cache的容量210

7.3.4提高相聯(lián)度210

7.3.5偽相聯(lián)Cache211

7.3.6硬件預取212

7.3.7編譯器控制的預取212

7.3.8編譯優(yōu)化213

7.3.9“犧牲”Cache215

7.4減少Cache不命中開銷216

7.4.1采用兩級Cache216

7.4.2讓讀不命中優(yōu)先于寫219

7.4.3寫緩沖合并219

7.4.4請求字處理技術220

7.4.5非阻塞Cache技術220

7.5減少命中時間221

7.5.1容量小、結構簡單的Cache221

7.5.2虛擬Cache221

7.5.3Cache訪問流水化224

7.5.4蹤跡Cache224

7.5.5Cache優(yōu)化技術總結224

7.6并行主存系統(tǒng)225

7.6.1單體多字存儲器226

7.6.2多體交叉存儲器227

7.6.3避免存儲體沖突231

7.7虛擬存儲器232

7.7.1基本概念232

7.7.2快速地址轉換技術233

7.7.3頁式虛擬存儲器實例: 64位Opteron的存儲管理234

7.8實例: AMD Opteron的存儲器層次結構236

習題7240

第8章輸入輸出系統(tǒng)243

8.1I/O系統(tǒng)的性能243

8.2I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性244

8.3廉價磁盤冗余陣列245

8.3.1RAID0247

8.3.2RAID1247

8.3.3RAID2248

8.3.4RAID3249

8.3.5RAID4249

8.3.6RAID5250

8.3.7RAID6250

8.3.8RAID10與RAID01251

8.3.9RAID的實現(xiàn)與發(fā)展251

8.4總線252

8.4.1總線的設計253

8.4.2總線標準和實例254

8.4.3與CPU的連接255

8.5通道處理機257

8.5.1通道的作用和功能257

8.5.2通道的工作過程258

8.5.3通道種類259

8.5.4通道流量分析261

8.6I/O與操作系統(tǒng)263

8.6.1DMA和虛擬存儲器263

8.6.2I/O和Cache數(shù)據(jù)一致性264

習題8266

第9章互連網(wǎng)絡268

9.1互連函數(shù)268

9.1.1互連函數(shù)的表示方法268

9.1.2幾種基本的互連函數(shù)269

9.2互連網(wǎng)絡的結構參數(shù)與性能指標273

9.2.1互連網(wǎng)絡的結構參數(shù)273

9.2.2互連網(wǎng)絡的性能指標274

9.3靜態(tài)互連網(wǎng)絡275

9.4動態(tài)互連網(wǎng)絡281

9.4.1總線網(wǎng)絡281

9.4.2交叉開關網(wǎng)絡282

9.4.3多級互連網(wǎng)絡283

9.4.4動態(tài)互連網(wǎng)絡的比較286

9.5消息傳遞機制287

9.5.1消息尋徑方案287

9.5.2死鎖與虛擬通道290

9.5.3流控制策略291

9.5.4選播和廣播尋徑算法294

習題9296

第10章多處理機298

10.1引言298

10.1.1并行計算機系統(tǒng)結構的分類298

10.1.2存儲器系統(tǒng)結構和通信機制300

10.1.3并行處理面臨的挑戰(zhàn)302

10.2對稱式共享存儲器的系統(tǒng)結構304

10.2.1多處理機Cache一致性304

10.2.2實現(xiàn)一致性的基本方案305

10.2.3監(jiān)聽協(xié)議的實現(xiàn)308

10.3分布式共享存儲器的系統(tǒng)結構312

10.3.1目錄協(xié)議的基本思想312

10.3.2目錄協(xié)議實例315

10.3.3目錄的三種結構318

10.4同步320

10.4.1基本硬件原語320

10.4.2用一致性實現(xiàn)鎖322

10.4.3同步性能問題324

10.5同時多線程326

10.5.1將線程級并行轉換為指令級并行327

10.5.2同時多線程處理器的設計328

10.5.3同時多線程的性能329

10.6大規(guī)模并行處理機331

10.6.1并行計算機系統(tǒng)結構331

10.6.2大規(guī)模并行處理機333

10.7多核處理器及性能對比335

10.8多處理機實例——Origin 2000340

習題10347

第11章多核架構與編程348

11.1多核架構的需求348

11.1.1功耗與散熱問題348

11.1.2并行度問題349

11.1.3應用軟件問題350

11.2多核架構350

11.2.1多核的組織架構351

11.2.2多核架構實例352

11.3基于多核的并行程序設計355

11.3.1并行編程模型概述355

11.3.2共享存儲模型與消息傳遞模型356

11.3.3并行語言358

11.3.4并行算法359

11.4多核編程實例359

11.4.1一個簡單的OpenMP程序360

11.4.2OpenMP中的排序算法361

習題11 363

第12章機群系統(tǒng)365

12.1機群的基本結構366

12.1.1機群的硬件組成366

12.1.2機群的軟件367

12.2機群的特點368

12.3機群的分類369

12.4典型機群系統(tǒng)簡介370

12.4.1Berkeley NOW370

12.4.2Beowulf371

12.4.3LAMP371

12.4.4IBM SP2372

12.4.5天河2號373

習題12377

第13章陣列處理機379

13.1陣列處理機的操作模型和特點379

13.2陣列處理機的基本結構380

13.2.1分布式存儲器的陣列機380

13.2.2共享存儲器的陣列機381

13.3陣列處理機實例382

13.3.1實例1: Illiac Ⅳ陣列處理機382

13.3.2實例2: BSP計算機385

13.4陣列處理機的并行算法舉例389

習題13393

第14章數(shù)據(jù)流計算機394

14.1數(shù)據(jù)流計算機的基本原理394

14.1.1數(shù)據(jù)驅動原理394

14.1.2數(shù)據(jù)流計算機中指令的執(zhí)行過程395

14.1.3數(shù)據(jù)流計算機的指令結構396

14.2數(shù)據(jù)流程序圖和數(shù)據(jù)流語言396

14.2.1數(shù)據(jù)流程序圖396

14.2.2數(shù)據(jù)流語言及其性質400

14.3數(shù)據(jù)流計算機結構401

14.3.1靜態(tài)數(shù)據(jù)流計算機401

14.3.2動態(tài)數(shù)據(jù)流計算機403

14.4數(shù)據(jù)流計算機的評價406

14.4.1數(shù)據(jù)流計算機的優(yōu)點406

14.4.2數(shù)據(jù)流計算機的缺點407

14.4.3數(shù)據(jù)流計算機設計中需解決的問題408

習題14408

參考文獻410

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計算機系統(tǒng)結構教程(第3版) 作者簡介

張晨曦，男，1960年生，博士，國家杰青。同濟大學軟件學院教授，上海市教學名師，上海市模范教師，全軍優(yōu)秀教師。上海市教學成果一等獎獲得者。作為課程負責人，獲得過*家級精品課程兩門，上海市精品課程兩門。主編出版計算機教材14部，其中兩部被評為*家級精品教材，并獲上海市優(yōu)秀教材一等獎，有3部被評為十二五*家級規(guī)劃教材，有一部被國內100多所大學選為教材。

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